農(nóng)用車電動式電子助力動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

豐澤康

（三峽大學(xué)機械與動力學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

1 研究背景

近年來，人們對機動車行駛時的靈活性和輕捷性的要求越來越高，急需發(fā)明新的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，推動機動車的發(fā)展[1]。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的出現(xiàn)解決了這一難題，其廣泛應(yīng)用節(jié)約了大量的能源，遏制了全球氣候的惡化，具有跨時代的意義。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）可以說非常緊湊、輕便，幾乎不需要維護。它們很容易設(shè)計和包裝成模塊化的形式，可以很容易地調(diào)整到特定尺寸，符合駕駛員的習(xí)慣。另外，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)還能減小車輪與地面間的沖擊力，在過載條件下還具有過載保護的功能。近年來，EPS的引入數(shù)量逐漸增多。盡管電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)比液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)勢[2]，但直到最近，電動馬達技術(shù)和控制才得以實現(xiàn)應(yīng)用。新一代的材料、復(fù)雜的計算機電子控制系統(tǒng)和動力管理的進步都促使電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)成為現(xiàn)實。

1.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的農(nóng)用車機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔，內(nèi)部的零件都是靠純機械傳動，所以方向盤很重。而液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)提供輔助動力，使轉(zhuǎn)向更靈活。為克服液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的缺陷，日本高洋公司于1983年設(shè)計了一種附加速度信號的電液動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。總而言之，電控動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EHPS）是動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（HPS）與電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的過渡產(chǎn)品。1988年，日本高麗公司設(shè)計的轉(zhuǎn)向柱式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安裝在鈴木公司的一款名叫Cervo的小型機動車上。電子控制單元（ECU）根據(jù)方向盤的扭矩來控制輔助動力，ECU同時通過車速控制駕駛員的路感，在傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)向比是恒定的。轉(zhuǎn)向機中的動力從轉(zhuǎn)向軸流向旋轉(zhuǎn)閥，然后通過行星齒輪系、轉(zhuǎn)向齒條和橫拉桿轉(zhuǎn)向前輪[3]。行星齒輪架有外齒，可通過蝸輪由電動執(zhí)行器馬達旋轉(zhuǎn)。因此，任意驅(qū)動角可以疊加在駕駛員的方向盤輸入上。農(nóng)用車低速行駛時，執(zhí)行器驅(qū)動的行星架旋轉(zhuǎn)方向與方向盤方向一致。智能化自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)（AFS）還具有穩(wěn)定控制功能。該功能通過橫擺角速度控制來實現(xiàn)。在危險情況下，提高了車輛的主動安全性。

1.2 EPS的發(fā)展趨勢

EPS系統(tǒng)已經(jīng)從研究發(fā)展和測驗過程過渡到量產(chǎn)階段，成為新時代農(nóng)用車配件中的新科技產(chǎn)物。隨著電控技術(shù)的發(fā)展，EPS取代EHPS成為必然。進入21世紀(jì)以來，我國的專家和學(xué)者開始研究電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。由于未來農(nóng)用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的巨大市場潛力，開發(fā)電控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將是一項值得推進的工作。

2 電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

2.1 構(gòu)成和類別

電控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以分為液壓式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電動式動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩類[4]。液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，通過減小方向盤所需的輸入扭矩，調(diào)節(jié)方向盤角位移與前輪角位移的比值，來輔助駕駛員進行轉(zhuǎn)向。液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由許多零部件組成，包括方向盤、輸入軸、齒條和小齒輪、泵、液壓缸支架、液壓軟管、橫拉桿連桿等。雖然這是一項成熟的技術(shù)，但仍存在著轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓和機械部件之間的動力耦合有關(guān)的噪聲和振動問題。為了獲得理想的增壓特性，保證農(nóng)用車在行駛過程中的安全駕駛，開發(fā)了專用的旋轉(zhuǎn)式滑閥和變傳動比齒輪齒條裝置。電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，增加了電控單元、電源、電機、轉(zhuǎn)向傳感器等[5]。此系統(tǒng)是基于駕駛員在方向盤上的轉(zhuǎn)向力矩，通過助力電機提供輔助轉(zhuǎn)向力來克服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)阻力。

2.2 EPS系統(tǒng)

EPS是在以往轉(zhuǎn)向機構(gòu)的基礎(chǔ)上，加裝了電動助力機構(gòu)和轉(zhuǎn)向助力控制系統(tǒng)。電動式電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由幾大部分構(gòu)成，分別是轉(zhuǎn)向盤、電控單元、電動機、轉(zhuǎn)向齒條、橫拉桿、轉(zhuǎn)向輪、轉(zhuǎn)向軸、轉(zhuǎn)向齒輪、扭力桿、轉(zhuǎn)矩傳感器、輸出軸等[6]。

2.3 EHPS系統(tǒng)

現(xiàn)如今使用的農(nóng)用車液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在第一次引進后，經(jīng)過了近50年的發(fā)展，才能顯得如此自然、得體。在此之前，司機們需要努力在農(nóng)田中操縱車輛低速停車。在相對高速下，還存在著尋找正確靈敏度和穩(wěn)定性的問題。隨著發(fā)動機功率的增加和車輛的增大，駕駛員為使車輛靈活地轉(zhuǎn)向，所需付出的力氣幾乎達到了超人的程度。在農(nóng)村公路或者農(nóng)田里，司機駕駛車輛行駛在崎嶇不平的地面顯得格外吃力。因此，引進動力輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)顯得越來越緊迫。美國通用汽車公司（Generals Motors）和澳大利亞畢曉普公司（Bishop）在20世紀(jì)50年代開發(fā)并引進了此套轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

2.4 線控電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

線控電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一種裝有線控轉(zhuǎn)向和四個獨立電動輪輞驅(qū)動裝置的車輛運動控制器。運動控制器通過作用于車輛重心，將控制與特定的執(zhí)行器設(shè)置分離。采用實際執(zhí)行器動力學(xué)的近似方法，分析不同運動控制器在線性和非線性驅(qū)動區(qū)域的性能。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于非線性控制方法的精確車輛運動跟蹤運動控制結(jié)構(gòu)。運動控制器與由輪胎、輪胎載荷和半徑計算以及UKF（一種算法）組成的非線性車輛狀態(tài)觀測器相結(jié)合，用于車輛狀態(tài)的估計。將觀測器結(jié)構(gòu)與非線性運動控制器相結(jié)合，可以獲得非常精確的控制性能。利用可調(diào)模擬量控制信號（DI）為運動控制器生成不同的平滑軌跡。仿真研究表明，在車輛敏捷性和穩(wěn)定性之間保持良好的平衡是必要的，因此未來的研究將集中在更復(fù)雜的DI設(shè)計上。執(zhí)行器飽和輪胎附著力的利用將通過重新制定控制分配作為分析或數(shù)值優(yōu)化問題進行研究。線控轉(zhuǎn)向消除了在農(nóng)用車工作中對司機的傷害；從農(nóng)田到方向盤沒有振動，因為方向盤和轉(zhuǎn)向柱之間的機械連接已拆下，這樣可以減輕駕駛員的轉(zhuǎn)向負(fù)擔(dān)；方向盤可以安裝在必要的位置。當(dāng)電控單元發(fā)生故障時，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)失效，不能保證車輛的轉(zhuǎn)向。此外，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)本身也非常昂貴，所以它不能廣泛應(yīng)用于家用機動車上。但是，隨著控制技術(shù)的發(fā)展和電子元件功能的發(fā)揮，線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將在機動車上得到廣泛的應(yīng)用。

3 EPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

3.1 EPS工作原理與特點

EPS系統(tǒng)利用電動機作為助力器，根據(jù)車速和轉(zhuǎn)向參數(shù)等，由電子控制單元完成助力控制[7]。在轉(zhuǎn)動方向盤的時候，傳感器收錄電流信號，傳遞給ECU。在完成一系列的控制后，ECU反饋其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)信號，確定其轉(zhuǎn)矩的大小和電流轉(zhuǎn)向。隨后開始所需協(xié)調(diào)輔助動力，獲得適合工況的轉(zhuǎn)向力。電動式EPS系統(tǒng)有以往轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所不具備的諸多優(yōu)點。多個部件組裝成一個整體，沒有管路和控制閥，機構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕，通用電動EPS系統(tǒng)質(zhì)量比液壓EPS系統(tǒng)輕25%左右。普通旋轉(zhuǎn)式液壓轉(zhuǎn)向泵不需要液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，電動機只會在其必要時開啟，并且將動力消耗和油耗降到最低。另外，油壓系統(tǒng)被淘汰，因此無需再給轉(zhuǎn)向泵補充油液，也無需擔(dān)心漏油，并且可以設(shè)置車輛的動力特性，精準(zhǔn)完成助力控制。

3.2 助力電動機總成

轉(zhuǎn)向器的作用是把來自方向盤的轉(zhuǎn)向力和轉(zhuǎn)向角進行適當(dāng)?shù)淖儞Q，再輸出給轉(zhuǎn)向拉桿機構(gòu)，從而使汽車轉(zhuǎn)向，所以轉(zhuǎn)向器本質(zhì)上只是減速傳動裝置[8]。助力電動機總成由直流電動機和減速機構(gòu)組成。助力電動機能夠提供轉(zhuǎn)向助力，能在很大程度上節(jié)省駕駛員的體力，使轉(zhuǎn)向更加輕便。而且助力電動機安裝在轉(zhuǎn)向器外殼上，既能避免造成相互之間的干擾，又能保證轉(zhuǎn)向性能。電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的直流電動機，其裝置輸出的扭矩經(jīng)過減速機構(gòu)傳遞給齒輪機構(gòu)，從而加大其操縱力。

3.3 轉(zhuǎn)矩傳感器

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)比液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)勢[9]，當(dāng)農(nóng)用車輛以合理的速度在農(nóng)田中行駛或不需要轉(zhuǎn)向時，可以減小動力，消除損耗。蓄電池提供轉(zhuǎn)彎或低速停車所需的所有轉(zhuǎn)向動力。電路能夠?qū)⒋诵畔⒅欣^到電子控制單元（ECU）中。控制算法產(chǎn)生一個驅(qū)動電機提供轉(zhuǎn)向輔助的信號。電動機的動力來自蓄電池，它是電子控制的，不會造成很大損失。扭矩傳感器的主要部件是扭力桿，它記錄桿兩端之間的差異（或相對）角位移。桿的扭轉(zhuǎn)量或彎曲量可通過多種方式作為電子信號來提取。因此，開發(fā)了多種類型的扭矩傳感器。理想情況下，扭力桿是小齒輪和方向盤之間轉(zhuǎn)向桿的一部分，因此其位置可供選擇。其目的是不影響傳感器輸出信號隨后傳遞給電機控制器，以產(chǎn)生協(xié)助駕駛員所需的扭矩。所需扭矩的大小由控制回路中的駕駛員確定。扭矩傳感器的輸出與電機產(chǎn)生的扭矩應(yīng)呈線性關(guān)系。駕駛員對車輛的運動做出響應(yīng)，方向盤的微調(diào)會引起轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中零部件的變化，從而改變轉(zhuǎn)矩傳感器的特性。當(dāng)轉(zhuǎn)矩傳感器的特性發(fā)生變化時，會向轉(zhuǎn)向控制單元輸出。直行狀態(tài)時機動車不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，扭桿不轉(zhuǎn)動，傳感器不發(fā)生改變。

在農(nóng)田中處于轉(zhuǎn)向狀態(tài)的農(nóng)用車，扭桿扭轉(zhuǎn)會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，一段時間后轉(zhuǎn)矩平衡。經(jīng)過演算得出助力轉(zhuǎn)矩值、傳遞電流，并且在齒輪上產(chǎn)生轉(zhuǎn)向助力。轉(zhuǎn)向穩(wěn)定狀態(tài)的農(nóng)用車，不轉(zhuǎn)動方向盤的時候，處于平衡狀態(tài)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)保持初步的穩(wěn)定。轉(zhuǎn)向控制單元根據(jù)各個傳感器的信號和方向盤操縱力、速度計算助力電流值。當(dāng)傳感器發(fā)生異常的時候，通常狀態(tài)下，電源會斷開，助力在這個時候就會停止，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在這個時候進入機械式轉(zhuǎn)向狀態(tài)[10]。在轉(zhuǎn)向桿機械強度的情況下，產(chǎn)生約1.8倍的扭矩，以獲得傳感器輸出信號。需要注意的是，扭桿的兩端可以自由旋轉(zhuǎn)約兩圈，這意味著連接在扭桿兩端圓盤上的所有電子設(shè)備都可以通過軟電纜連接到電源和其他外部電路。除了相對位移角外，還可能需要感測方向盤的絕對角位置和速度，電動助力轉(zhuǎn)向主要是一種節(jié)能方案。這是一項創(chuàng)新，即將被引入全世界的農(nóng)用機動車之中。幾年后，它將被廣泛使用，進一步的優(yōu)化可能包括轉(zhuǎn)向系統(tǒng)位置的靈活性增強，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的調(diào)整以滿足特定農(nóng)用機動車或單個駕駛員的需要。

4 結(jié)論

筆者闡述了在農(nóng)用車中轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，對機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓式電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)到電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)依次進行了介紹。首先介紹了機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，分析了該系統(tǒng)的自身結(jié)構(gòu)和工作原理，由于自身結(jié)構(gòu)簡單，因此不是很普及；其次介紹了農(nóng)用車的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比于機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)成熟了一些，本身的優(yōu)點也比較明顯，操作精準(zhǔn)，可靠性高，制造成本低，信息反饋豐富；最后介紹了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，分析了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，例如轉(zhuǎn)向器、助力電動機總成、轉(zhuǎn)矩傳感器，并對其進行了簡要的概括。仿真結(jié)果表明，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在輸出其內(nèi)在的功率時，會發(fā)現(xiàn)其中的最佳供油規(guī)律，直觀地了解電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，凸顯了電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各方面的優(yōu)點。